Organisation

LGS

Rang und Loesungsdiskussion

Rang =→ Anzahl Element ungleich 0 in der Diagonalen

nR=^ Rang
nv=^ Anzahl Variablen

nR=nV

Tricks beim Eliminationsverfahren

Matrizen

Matrizen addieren:

Matrixmultiplikation:

Matrix-Vektor-Multiplikation:

[147258369]∗[123]=[123]∗1+[456]∗2+[789]∗3=⋯=[303642]

LGS als Matrixmultiplikation

[1342]∗[x1x∗2]=[45]

LGS Ax=b kann nur gelöst werden, wenn rechte Seite als lineare Kombination der Spalten von A ausgeführt werden kann

[1000]→x1∗[10]+x2∗[00]=[x10]

Tipp: Überprüfen, ob Ergebnis Vielfaches von einer Spalte ist

Generell lässt sich ein LGS für jede rechte Seite b nur dann lösen, wenn r=n=m.

Transponierte

Die Transponierte A⊤ ergibt sich durch Spiegelung von A an der Hauptdiagonalen

A=[123456],A⊤=[142536]A=[133],A⊤=[123]

Wenn gilt A⊤=A, dann heisst A symmetrisch. (n=m)

a∈Rm×n⟹A⊤∈Rn×m

-> Dimensionen werden vertauscht
-> (A⊤)⊤=A

Inverse

Eine Matrix A∈Rn×n besitzt eine Inverse A−1∈Rn×n, wenn gilt:

AA−1=A−1A=I⏟Einheitsmatrix A2×2=[1001] A−1=1ad−bc[d−b−ca]

-> existiert nur wenn Nenner ad−bc≠0 (Determinante)
-> immer überprüfen (AA⊤=I)

I3×3=[100010001]I3×3−1=I3×3

Rechenregeln

i)(AB)⊤=B⊤A⊤(ABC)⊤=C⊤(AB)⊤⏟wegen i)=C⊤B⊤A⊤⏟nochmals i)ii)(AB)−1=B−1A−1falls A−1,B−1 existierenA,B müssen quadratisch seiniii)(A−1)⊤=(A⊤)−1
A⊤(A−1)⊤=(A−1A)⊤Rechenregel i)=(I⊤)⊤I−1=I,I⊤=I=I◻

LU-Zerlegung

PA=LUP:Permutationsmatrixx für vertauschen von ZeilenL:Protokollmatrix, untere DreiecksmatrixU:Dreiecksmatrix, Resultat aus Gaussverfahren PA=LUA∈Rm×nL∈Rm×mU∈Rm×nP∈Rm×m

Achtung!

LU-Zerlegung von

[2334]

2II−3I -> II−32I immer normalisieren!

L=[10321],U=[230−12]

Euklidische Norm

||x||=x12+x22+⋯+xn2 x^=x||x||
Note

||ax→||=|a|||x→||Füra∈R,x→∈Rn

Nützliche Interpretation

||x||=x12+⋯+xn2⏟x⊤x

Skalarprodukt

<x,y≥x⊤y=x1∗y1+x2∗y2+⋯+xn∗yn <x.y>=||x||∗||y||∗cos⁡(α)α=^ Winkel zwischen x und ycos⁡(α)=x⊤y||x||∗||y||
Winkel to pi:

Winkel in π=πwinkel
z.B. bei 0.64 π0.64≈π5

α cos⁡α sin⁡α
0° 0 1 0
30° π6 32 12
45° π4 22 22
60° π3 12 32
90° π2 0 1

Orthogonalität

x⊤y=0
orthogonale Vektoren finden

Finde y→≠0→, sodass x→⊤y→=0
-> ∞ viele Möglichkeiten

Kreuzprodukt (in 3D)

[121]×[10−1]=[x2y3−x3y2x3y1−x1y3x1y2−x2y1]

Orthogonale Matrizen

A⊤A=I ||Qx||=(Qx)⊤Qx=x⊤Q⊤Q⏟Ix=x⊤x=||x||◻

Rotationsmatrizen

R(α)=[cos⁡α−sin⁡αsin⁡αcos⁡α] Rx−y(α)=[cos⁡α−sin⁡α0sin⁡αcos⁡α0001]

Householder-Matrozen

Spiegelung von Vektoren an einer Hyperebene

H=I−2n→n→⊤

QR-Zerlegung

#todo fertigschreiben

QR-Zerlegung mit householder Matrizen

A=[2∗∗2∗∗1∗∗]

-> wollen durch Spiegelung zwei Nullen in der ersten Spalte erzeugen

[221]zu[a00]transformieren

-> beide Vektoren haben gleiche Länge, 3 (ausrechnen!)
-> a=3, [300], spiegeln auf [−300] auch möglich

x−[300]=[221]−[300]=[−121]n→=[−121]||[−121]||=16[−121]H1=I−2n→n→⊤=[100010001]−13[1−2−1−242−121]=[232313−23−13−2313−2323]=13[2212−1−21−22]

-> am Schluss überprüfen, ob Matrix stimmen kann

H1A=[3∗∗0∗∗0∗⏟2. Schritt: hier 0 erzeugen∗]

-> noch H2 Berechnen

H2=[1000∗∗0∗∗]

AM Ende:

A=QRR=H2H1AQ=H1⊤H2⊤QR=H1⊤H2⊤H2H1A=A
Q berechen

Für Q muss man transponieren

Prüfungsaufgabe:

A=[111−1110021]A=QR||a1||=3||a2||=6||a3||=3

->

→Q=[121613−1216130−2613]R=[200060003]

Vektorräume

Tip

Entweder beweisen, oder Gegenbeispiel finden (einfacher)

z.B. Ist V=[−1,2] ein Vektorraum?
x=1∈V,y=2∈V,x+y=3∉V

Vektorräme erfüllen 7 zusätzliche Eigenschaften

i) a+b=b+aa,b∈Vkommutativii) (a+b)+c=a+(b+c)a,b,c∈Vassoziativ→ einfach zu überprüfeniii) a+0=a0,a∈VVektorraum enthält Nullelementiv) ∀a∈V∃−a:a+(−a)=0enthält negatives Elementv) α(βx→)=(αβ)x→vi) (α+β)x→=αx→+βx→vii) 1∗x→=x→

Bsp:

V={[123]+x[721]|x∈R}

-> Enthält kein Nullvektor, V ist kein Vektorraum

Bsp: Menge aller symmetrischen 2×2 Matrizen (A⊤=A)

V={[abbc]|a,b,c∈R}

Ist V ein Vektorraum?

  1. Addition angeschlossen? [∗b1+b2b1+b2∗] -> ✔
  2. Multiplikation abgeschlossen? ✔
  3. Nullelement? Nullmatrix ist symmetrisch ✔
  4. Negatives Element? ✔

-> V ist ein Vektorraum

5,6,7 müssen normalerweise nicht gezeigt werden, falls

Bem: Wenn A und B Vektorräume sind und B⊆A, dann nennt man B einen Unterraum von A

V={t∗[123]|t∈R}

ist ein Unterraum von R3.

Bsp: Vektorraume mit Funktionen als "Vektoren":

P2={ax2+bx+c|a,b,c∈R2}

(alle Polynome mit Grad 2 oder kleiner)
-> Betrachtung von Funktionen als Vektoren erlaubt Verallgemeinerung von Konzepten wie Orthogonalität, Winkeln, …

Lineare Kombination

∑i=1kaixiai∈R,xi∈Rn

Dimension Vektorraum

Bsp R3

v1=e→1,v2=e→2,v3=e→3

Bsp v1,v2,v3 nicht eindeutig

v1=[111],v2=[110],v3=[100]

-> eine solche Ansammlung an Vektoren wird auch Erzeugendensystem genannt

Bild einer Matrix

A=[a1a2…an]∈Rm×n

Im(A)=span(a1,…,an)

={∑i=1nαiai|αi∈R,ai∈Rm}

Kern einer Matrix

Der Kern einer Matrix A∈Rm×n ist die Lösungsmenge der Gleichung Ax=0

ker⁡(A)={x∈Rn|Ax=0}

Bsp:

[1002]

-> da Rang Matrix =2 und A quadratisch => Ax=b lässt sich eindeutig lösen => ker⁡(A)={0}

Bsp

A=[102000100]

-> Rang 2, ker⁡(A)={a∗[010]|a∈R}

Warning

Wenn A∈Rm×n, dann haben Elemente des Bilds Dimension Rm und Elemente des Kerns Rn

#timestamp 2024-10-24
Serie 5 letzte Aufgabe:

Serie 4, Aufgabe 11

Fixiere z∉ker⁡(M), fixiere x
-> v∈ker⁡(M)
x=v+cz
Was sind v und c?


Trick: nutzen, dass Vektor(M) (Mv=0→)
-> x von links mit M muliplizieren

Mx=M(v+cz)=Mv⏟0→+Mcz(wobei c ist Skalar)=cMzc=MxMz

M∈R1×m,z∈RM×1
Mz ein Skalar, Mx auch

-> setzen

x=v+MxMzz

M=[…⏟m]
da Mx=0
dim⁡(ker⁡(M))≥m−1
M=[0 0…0]→ker⁡(M)=Rm
-> x=v+MxMzc⏟z eindeutig

Lineare Unabhängigkeit

a1v1+a2v2+⋯+anvn=0→⟹a1=a2=⋯=an=0

Lineare unabhängigkeit lässt isch durch das Lösen eines homogenen LGS überprüfen:

[v1v2…vn][a1a2…an]=[00…0]

nur wenn a→=[00…0] eindeutig, dann sind v1,…,vn linear unabhängig

Dimensionen

Es kann nicht mehr linear unabhängige Vektoren als die Dimension des Raumes geben

Wann sind 2 Vektoren linear abhängig?

-> wenn sie dieselbe "Richtung haben"

Bsp: x=[123],y=[−10−20−30]
-> x+y=[000]


A∈Rm×n

Spalten, Zeilen, Rang

  • Anzahl linear unabhägiger Spalten A
    • = Rang A=r
    • = Anzahl linear unabhängiger Zeilen A

Bsp

[123444]

-> Rang =2, da 2 Zeilen unabhängig

Basis

Bsp

x=[101],y=[100]

-> z muss in zweiten Eintrag 1 enthalten, um linear unabhängig zu sein und Basis mit x,y zu bilden, z.B. z=[111].

Fundamentalsatz der linearen Algebra

Recap (A∈Rm×n)

Bild A=span(a1,…,an)={∑i=1nxiai|xi∈R,ai∈Rm}Kern A={x∈Rn|Ax=0→}

daher:

dim(Bild A)≤mdim(Kern A)≤n
  1. dim(Bild A)=r, dim(Kern A)=k−r
    • k−r freie Variablen für LGS mit rang r
    • dim(Bild A⊤)=r, dim(Kern A⊤)=n−r
  2. dim(Kern A)+dim(Bild A⊤)=k
    • dim(Kern A⊤)+dim(Bild A)=n
  3. Kern A⊥Bild A⊤
    • Bild A⊥Kern A⊤

-> Orthogonalität impliziert lineare Unabhängigkeit
-> daraus folgt

-> Kern(A)⏟dim k−r∪Bild(A)⏟dim r≠Rk
unterschiedliche Dimensionen der Vektorelemente

Bsp:

[110011110000]

rang=2
dim(Bild A)=2
dim(Kern A)=k−r=3−2=1

Welche Dimensionan haben die Elemente von Bild(A)?
-> Spalten haben 4 Komponenten
-> Dimension 4
-> Spaltenraum spannt 2D Ebene in R4 auf

Welche Dimensionen haben die Elemente von Kern(A)?
-> Ax=0
-> λ∈R3 -> 3 Dimensionen

#timestamp 2024-10-31

Koordinaten

Basiswechsel

kB~(v)=TkB(v) T=[kB~(b1)…kB~(bn)]

-> wir repräsentieren die Basisvektoren von B in B~ um die Spalten zu berechnen

Bsp:

B={[11],[10]}B~={[12],[21]}

Wir wandeln wie Koordinaten von B nach B~>
-> T spaltenweise berechen

b1=a[12]+b[21]

-> a=13,b=13

kB~(b1)=[1313]

genau gleich:
-> a=−13,b=23

kB~(b2)=[−1323]

die Übergangsmatrix:

T=13[1−112]

-> am Ende: Sanity check

Basiswechsel einer Matrix

Gegeben Matrix A mit Basis B, wie sieht die Matrix in der Basis B~ aus?

(Annahme, V,W gleiche Basis)

Pasted image 20241031105217.png|400

-> Pfad enthält 3 Matrixen, die miteinander multiplizieren

A~=⊤A⊤−1

Die Matrix, die zuerst angewendet wird, ist ganz rechts!

Lineare Abbildungen

F:V↦W,x→F(x)

Bsp:

  1. v=P2={ax2+bx+c|a,b,c∈R}

p∈V:F(p(x))=δδxp(x)
F linear?

-> überprüfen, ob addition, multiplikation von skalar stimmt
-> Ableitung ist eine lineare Abbildung


  1. v=P2, F(p(x))=δδxp(x)

FInde Matrix, die F beschreibt!

BV={1,x,x2}

Wie wirkt F auf Basisvektoren?

1⟺[100]x⟺[010]x2=[001]

-> F(1) = δδx1=0
-> F(x) = ...= 1
-> F(x2)=δδxx2=2X

A∈Rm×n

dim⁡(V)=n=3
dim⁡(W)=m=2

A[100]=[00]A[010]=[10]A[001]=[02]→A=[010002]

Vorgehen:

  1. Wie wirkt F auf jeden Basisvektor?
  2. Spaltenweise A aufstellen

p(x)∈P2:F(p(x))=δδxp(x)

ker⁡(F)={a|a∈R}

-> Ableitung von Konstanten ist 0

dim⁡(ker⁡(F))=1

A=[010002]∈R2×3

3=dim(ker⁡(F))+dim⁡(im(F))

-> dim(im(F))=2

Prüfung HS 2024 Aufgabe

a)...
b)...
c) Gegeben seien im Urbildraum die Basis 1−x,2x,4x2 und im Bildraum die Basis 2,x4,x23. Welches ist die neue Matrix B, die F nach dem Basiswechsel beschreibt:

Aus b):

A=[10003200073]A~=KAT−1

Einheitsbasis:

B={[1−10],[020],[004]}

Wie stellen wir die Basisvektoren von B in der EInheitsbasis dar?

T−1=[100−120004]

k ist Übergang von EInheitsbasis zu B~

B~={[200],[0140],[0013]}

-> Vektoren der Einheitsbasis in B~ darstellen:

[100]=12[200]+0[0140]+0[0013][010]=…[001]=…K=[1200040003]      aus skalaren der lin. Komb.A~=KAT−1=⋯=[1200−61200028]

#timestamp 2024-11-07

Norm und Skalarprodukt in linearen Räumen

Norm

  1. ||v||=0⟹v=0→
  2. ∀a∈R,∀vinV:||av||=|a|||v||
  3. ||v+w||≤||v||+||w||
  4. (||v||≥0 !!)

Bsp: p-Normen

||x||p=(|x1p+⋯+|xn|p)1/p ||x||∞=limp→∞(|x1p+⋯+|xn|p)⏟≈maxi∈{1,…,n}|xn|p1/p=maxi∈{1,…,n}|xi| ||x||1=|x1|+⋯+|xn|

Äquivalenz der Normen

Wenn ||⋅|| und ||⋅||′ zwei Normen sind und x∈Rn, dann gilt:

1C||x||≤||x||′≤C||x||

-> C ist eine Konstante

Bsp:
Was ist C für ||x||2 und ||x||∞

1C||x||2≤||x||∞≤C||x||2||x||2=x12+⋯+xn2Summe unter Wurzel ≥||x||∞2||x||∞=maxi∈{1,…,n}|xi|→||x||∞≤||x||2

-> aber C=1 taugt nicht, weil ||x||2>||x||∞ möglich ist
-> Brauchen Extremfall, wieviel ||x||2 maximal grösser als ||x||∞ sein kann

x=[x1⋮x1]→||x||2=x12+⋯+x12⏟n=nx12=n|x1|

||x||∞=|x1|
nc|x1|≤|x1|
⟹c=n≥1

1n||x||2≤||x||∞≤n||x||2

Bsp Ist ||x||=|∑xi| eine Norm?
-> mehrere Elemente können 0 sein, z.B. jedes ||[−nn]|| ∀n∈N=0

Bsp ||x||=∑|xi| eine Norm?
i) ||x||=0⟹x=0→
ii) ||ax||=∑i|axi=|a|||x||
iii) ||x+y||=∑i|xi+yi|≤∑i|xi|+|yi|=||x||+||y||

Skalarprodukt

Funktion <.,.>:V×V→R mit 3 Eigenschaften:

  1. <x,ay+bz>=a<x,y>+b<x,z>
  2. <x,y>=<y,x>
  3. <x.x>≥0
    • <x,x>=0⟹x=0→

Norm kann aus Skalarprodukt induziert werden:

||x||=<x,x>

Bsp euklidische Norm

||x→||2=x12+⋯+xn2=x→⊤x=<x→,x→>

Bsp Skalarprodukt über Matrix A
(A positiv-definit →x⊤Ax≥0)

<x,y>A=x⊤Ay

Bsp zu Skalarprodukten (x∈R3)
Ist <x,y≥x1y1+2x2y2−3x3y3 ein Skalarprodukt?

  1. <x,y>=<y,x>✓
  2. <x,ay+bz>=x1<ay1+bz1>=⋯=a<x,y>+b<x,z>✓
  3. Positiv definit?

<x,x>≥0

<[001],[001]>=0∗0+2∗0∗0−3∗1∗1=−3<2

-> kein Skalarprodukt

Note

  • zuerst überlegen, ob es ein gegenbeispiel gibt
  • mit kompliziertester eigenschaft anfangen, um Zeit zu sparen

Summen von Skalarprodukten mit Koeffizienten ≥0 sind Skalarprodukte

Orthogonale Projektionen

Pxx=<y,x><x,x>y

-> "Punkt auf y am nächsten zu x" -> Projektion auf y zum Punkt

Bsp abstand von funktionen

F,g∈{ax2+bx+c|a,b,c∈R}<F,g>=∫01F(x)g(x)dx

let

PgF=<F,g><g,g>g=∫01F(x)g(x)dx∫01g(x)g(x)dxg(x)=⋯=4916(−x2+2x) \alpha=\arccos \frac{|<x,y>|}{||x||||y||} $$- Orthogonal wenn $<x,y>=0$ Wenn 2 Vektoren orthogonal sind, dann ergibt $P_{y}x=P_{x}y=\vec{0}$ > #timestamp 2024-11-14 ### Gram-Schmidt Orthogonalisierungsverfahren - Methode zur Erzeugung einer orthonormalen Basis aus einer gewöhnlichen Basis

\begin{align}
B & = { b_{1},b_{2},b_{3} } & (\text{reihenfolge nicht eindeutig;}\
& & \text{Vektor auswählen, der am einfachsten ist})\
q_{1} & = \frac{b_{1}}{||b_{1}||} & (||q_{1}||=1) \
\
c_{2} & =b_{2} -b \left< b_{2},q_{1} \right> q_{1} \
q_{2} & =\frac{c_{2}}{||c_{2}||} & (\text{Komponente in Richtung q1 abgezogen}\to q_{1}\bot q_{2}) \
\
\dots \
\
c_{n} & = b_{n}-\sum_{i=1}^{n-1}\left< b_{n},q_{1} \right>q_{i} & \to q_{n}\bot q_{n-1},\dots,q_{1} \
q_{n}&=\frac{c_{n}}{||c_{n}||} \
\
\tilde{B}&={ q_{1},q_{2},\dots,q_{n} } & \text{(ist eine orthonrmale Basis)}
\end

∗∗Bsp:QR−ZerlegungmitGram−Schmidt∗∗

\begin{align}
A & = \begin{bmatrix}
1 & 1 \ 2 & 0 \ 0 & 2
\end{bmatrix} & A=QR
\end

1.Gram−SchmidtaufSpaltenvektoren

\begin{align}
q_{1}&=\frac{1}{\sqrt{ 5 }}\begin{bmatrix}1\2\0\end{bmatrix} \
c_{2}&=a_{2}-\left< a_{2},q_{1} \right>q_{1} \
& = \begin{bmatrix}
1\0\2
\end{bmatrix} - \left< \begin{bmatrix}
1\0\2
\end{bmatrix}, \frac{1}{\sqrt{ 5 }}\begin{bmatrix}
1\2\0
\end{bmatrix} \right>\frac{1}{\sqrt{ 5 }}\begin{bmatrix}
1\2\0
\end{bmatrix} \
& = \begin{bmatrix}
1\0\2
\end{bmatrix} - \frac{1}{5}\cdot 1 \cdot \begin{bmatrix}
1\2\0
\end{bmatrix} \
& = \frac{1}{5} \begin{bmatrix}
4\-2\10
\end{bmatrix} \
||c_{2}|| & =\frac{1}{5}\sqrt{ 4^2+2^2+10^2 } = \frac{1}{5}\sqrt{ 120 } \
& = \frac{1}{5}\sqrt{ 4\cdot 30 } = \frac{2}{5} \sqrt{ 30 } \
q_{2}&=\frac{c_{2}}{||c_{2}||} = \frac{1}{2\sqrt{ 30 }} \begin{bmatrix}
4\-2\10
\end{bmatrix} \
& = \frac{1}{\sqrt{ 30 }}\begin{bmatrix}
2\-1\5
\end{bmatrix} \
\
Q & = \begin{bmatrix}
q_{1} & q_{2}
\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}
\frac{1}{\sqrt{ 5 }} & \frac{2}{\sqrt{ 30 }} \
\frac{2}{\sqrt{ 5 }} & -\frac{1}{\sqrt{ 30 }} \
0 & \frac{5}{\sqrt{ 30 }}
\end{bmatrix}
\end

2.Berechnung$R$($A=QR$)$R=[q1⊤a1q1⊤a20q2⊤a2]$$=[51501230]$3.Überprüfen

\begin{bmatrix}
1 & 1\2 & 0\0 & 2
\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}
\frac{1}{\sqrt{ 5 }} & \frac{2}{\sqrt{ 30 }} \
\frac{2}{\sqrt{ 5 }} & -\frac{1}{\sqrt{ 30 }} \
0 & \frac{5}{\sqrt{ 30 }}
\end{bmatrix} \begin{bmatrix} \sqrt{ 5 } & \frac{1}{\sqrt{ 5 }}\0 & \frac{12}{\sqrt{ 30 }} \end

-> hier ist $Q$ streng genommen keine orthogonale Matrix ### Projektoren - lineare Abbildung $P:V\to V$, für die gilt:

P^2=P

[bild]−orthogonalerProjektor

P=P^\top\quad (\text{Matrix muss symmetrisch sein})

(danngilt$x−Px ⊥ Bild P$)∗∗Bsp∗∗$[100010]$−>$P2=P$Projektion?−>$P2$existiertnurwenn$P$quadratisch−>nichtProjektor∗∗Bsp∗∗

\begin{bmatrix}
0 & 0 & 1 \ 0 & 1 & 0 \ 0 & 0 & 1
\end{bmatrix}\quad \text

P^2 = \begin{bmatrix}
0 & 0 & 1 \ 0 & 1 & 0 \ 0 & 0 & 1
\end{bmatrix}\begin{bmatrix}
0 & 0 & 1 \ 0 & 1 & 0 \ 0 & 0 & 1
\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}
0 & 0 & 1 \ 0 & 1 & 0 \ 0 & 0 & 1
\end{bmatrix} = P ~\checkmark

P Projektion orthogonal? $P=P^\top$ -> stimmt nicht ($1$ oben rechts verschiebt sich) -> nicht orthogonal #### Berechnung orthogonaler Projektoren #todo --- - Wenn $U.V$ zwei Matrizen mit $\underbrace{ V^\top U = I }_{ \text{spalten U orthonormal} }$, dann:

P=UV^\top\quad (\text{ist schiefe Projektion auf Spaltenraum von U})

∗∗Bsp∗∗(vorherigesBeispiel)

U=\begin{bmatrix}
\frac{1}{\sqrt{ 2 }} & 0 \ 0 & 1 \ \frac{1}{\sqrt{ 2 }} & 0
\end

Suchen$V$mit$V⊤U=I$−mehrereMöglichkeiten

V=\begin{bmatrix}
0 & 0 & \sqrt{ 2 } \
0 & 1 & 0
\end

V^\top U = \begin{bmatrix}
1 & 0 \ 0 & 1
\end

P=UV^\top = \dots=\begin{bmatrix}
0 & 0 & 1 \
0 & 1 & 0 \
0 & 0 & 1
\end

$P^2=P~\checkmark$ $P^\top=P~\times$ -> schiefe Projektion --- #todo ### Riesz Theorem Sei $F:V\to \mathbb{R}$ ein lineares FUnktional und $V$ Vektorraum - Funktional $\hat{=}$ von Vektorraum auf $\mathbb{R}$ 1. $\exists$ eindeutiges $w \in V$: $F(v)=\left< w,v \right>~~~\forall v \in V$ 2. Sei $b_{1}, b_{2},\dots,b_{n}$ ONB in $V$, dann $w=\overline{F(b_{1})}b_{1}+\dots$ **Bsp** $L(x.y)=2x+3y$ $L(x,y)=\left< \begin{bmatrix}x\\y\end{bmatrix},\begin{bmatrix}2\\3\end{bmatrix} \right>$ -> $w=\begin{bmatrix} 2 \\ 3\end{bmatrix}$ beschreibt $L$ eindeutig > #timestamp 2024-11-21 ## Ausgleichsrechung (Linear Regression) - Finde Funktion die Fehlersumme minimiert

F^*(t)=\arg\min_{F} \sum_{i=1}^n (F(t_{i})-y_{i})^2

−FürunsereZweckeist$F(t)$meistlinearin$t$

F(t)=x_{0}+x_{1}t~(+x_{2}t^2+x_{3}t^3+\dots)

−>$x0,x1$sindgesuchteParameter−ProblemeinMatrix−Vektorformbringen:

\vec{x}=\begin{bmatrix}
x_{0}\x_{1}
\end{bmatrix}, A=\begin{bmatrix}
1 & t_{1}\1 & t_{2}\\dots\1 & t_{n}
\end{bmatrix}, b = \begin{bmatrix}
y_{1}\y_{2}\\dots\setminus y_{n}
\end

A\vec{x}=\begin{bmatrix}
x_{0}+x_{1}t_{1} \
\dots \
x_{0}+x_{1}t_{n}
\end{bmatrix} = \begin{bmatrix}
F(t_{1})\\dots\F(t_{n})
\end

−NunkönnenwirdieFehlersummeumschreiben:

\sum_{i=1}^n (F(t_{i})-y_{i})^2 = ||Ax-b||^2

−Zielfindeoprimales$x^$

\hat{x} = \arg\min_{x \in \mathbb{R}^n} ||Ax-b||^2

−optimale$x^$erfüllenNormalengleichung(HerleitungimSkript)

A^\top A \hat{x} = A^\top b

−eindeutigeLösungwenn$A$vollenSpaltenranghat=>$A⊤A$invertierbar:

\hat{x} = (A^\top A)^{-1} A^\top b

> [!warning] Ansonsten gibt es $\infty$ Lösungen > Normalengleichung hat niemals keine Lösung # Determinanten - Zahl, welche die Invertierbarkeit von quadratischen Matrizen charakterisiert: - $A \in ^{n\times n}$, $A^{-1}$ existiert genau dann wenn $\det(A)\neq0$ - Konsequenz: Für alle quadratischen Matrizen, die nicht vollen Rang haben, gilt $\det(A)=0$ **Bsp** 1. Determinante für $2\times2$ Matrizen

A=\begin{bmatrix}
a & b\c & d
\end{bmatrix}, \det(A)=ad-bc

−>$A−1$existiert2.$2×2$ohnevollenRang

B=\begin{bmatrix}
1 & -2\-3 & 6
\end

-> $\det(B)=0$ -> $A^{-1}$ existiert nicht ## Regel von Sarrus für $3\times3$ Matrizen

C = \begin{bmatrix}
a & d & g\b & e & h\c & f & i
\end{bmatrix}, \det(C) = aei+bfg+cdh-gec-hfa-idb

-> genauso aufwendig wie Regel 11 (entwicklung nach Spalte/Reihe), aber im gegensatz zu 11 nicht nützlich zur Berechnung vom charakteristischen Polynom ### Laplacescher Entwicklungssatz - Methode zur Berechnung der Determinante in beliebigen Dimensionen Für $n \times m$ Matrix, Entwicklung nach z.b. Spalte $m$:

\det(A) = \sum_{i = 1}^n (-1)^{i+m} \cdot a_{im} \cdot \det(A_{im})

## rechenregeln Determinante 1. $A \in \mathbb{R}^{n\times n}, B \in \mathbb{R}^{n\times n}: \det(AB)=\det(A)\det(B)$ 2. $\det(A^{-1})=\frac{1}{\det(A)}$ 3. $A \in \mathbb{R}^{n\times n}, \alpha \in \mathbb{R}: \det(\alpha A)=\alpha^n\det(A)$ 4. $\det(A^\top)=\det(A)$ 1 -> orthogonale Matrix $Q^{-1}=Q^\top$ $\det(I)=1$ $\det(Q^\top Q)=\det(I)=1$ 1-> $\det(Q^\top)\det(Q)=1$ 4-> $\det(Q)\det(Q)=1$ $\det(Q)^2=1$ $\det(Q)=1$ oder $\det(Q)=-1$ > #timestamp 2024-11-28 # Eigenwerte und Eigenvektoren $A \in R^{n\times n}, x \in \mathbb{R}^n$ (quadratische Matrix): x ist Eigenvektor von $A$ mit Eigenwert $\lambda \in \mathbb{R}$, wenn gilt:

Ax=\lambda x

−$0→$istkeinEigenvektor−>trivialeLösung−einEigenvektorhatnureinenEigenwert/einEigenwertkannmehrereEigenvektorenhabenBerechnung:

\begin{align}
& Ax-\lambda x = \vec{0} \
& (A-\lambda I)x = \vec{0} \
\iff~ & \det(A-\lambda I) = 0
\end

- $\det(A-\lambda I)$ gibt uns ein Polynom (in $\lambda$) von Grad $n$ und wird **charakteristisches Polynom** genannt ## Eigenräume Zu jedem Eigenwert $\lambda i$ gibt es einen zugehörigen Eigenraum $E_{\lambda i}$, der durch seine Eigenvektoren aufgespannt wird. **Bsp:** eigenwert $-6$ eigenvektor $\begin{bmatrix}24\\-3\\7\end{bmatrix}$ -> $E_{-6}=span(\begin{bmatrix}24\\-3\\7\end{bmatrix})$ -> Dimensionalität 1 ### Algebreische Vielfachheit eines Eigenwertes "wie oft der Eigenwert als Nullstelle des charakteristischen Polynoms vorkommt" - bei einer $A\in \mathbb{R}^{n\times n}$ maximal $n$ EW, ein Eigenwert hat algebraische Vielfachheit max $n$ **Bsp**

A = \begin{bmatrix}
2 & 1\0 & 2
\end

$\det(A-\lambda I) = (2-\lambda)(2-\lambda)$ -> EW 2 hat algebraische Vielfachheit $2$ ### Geometrische Vielfachheit eines Eigenwertes = dimension des zugehörigen Eigenraums

1\leq \text{geometrische V.} \leq \text

-> zu jedem $EW$ gibt es mindestens ein Eigenvektor ## Diagonalisierbarkeit $A \in \mathbb{R}^{n\times n}$ und sei $D \in \mathbb{R}^{n\times n}$

D = \begin{bmatrix}
\lambda_{1} & & 0 \
& \dots & \
0 & & \lambda_{n}
\end

−MannenntAdiagonalisierbar,wenngilt

A = SDS^

wobeidieSpaltenvonSdurchdie(geordneten)Eigenvektorengegebensind:

S = \begin{bmatrix}
v_{1} & v_{2} & \dots & v_{n}
\end

−"geordnet":ReihenfolgeEigenwerteinD$=^$ReihenfolgeEVinS−Skannnuraufgestelltwerden,wenn$n$Eigenvektoren−EVmüssennichtnormalisiertsein−−−Aistgenaudanndiagonalisierbar,wennfürjedenEigenwertdiealgebraischeVielfachheitgleichdergeometrischenVielfachheit

A = \begin{bmatrix}
2 & 1\0 & 1
\end{bmatrix}, \lambda_{\frac{1}{2}}=2

−>$dim⁡(Eλ12)=1$−>AV=2,GV=1−>nichtdiagonalisierbar>[!note]>HäufigerFehlschluss:InvertierbarkeitundDiagonalisierbarkeithängenmiteinanderzusammen>$$[1000]

-> diagonalisierbar, aber nicht invertierbar

[1101]

-> invertierbar, aber nicht diagonalisierbar
Diaogonalisierbarkeit von A lässt keinen Schluss auf die Invertierbarkeit zu, umgekehrt genauso

Charakteristisches Polynom lösen

Bsp

det(A−λI)=λ3+4λ2+λ−6

-> oftmals ist eine Nullstelle gegeben durch 0,1 oder -1
-> einsetzen: (1) 1+4+1−6=0✓

λ1=1
Grad des Polynoms durch Polynomdivision reduzieren

(x3+4x2+x−6):(x−1)=x2+5x+6

-> det(A−xI)=(x−1)(x2+5+6)

quadratische Funktion:
-> Nullstellen −2,−3

det(A−xI)=(x−1)(x+3)(x+2)

Nützliches zu Eigenwerten

det(A)=∏i=1nλi

=> det(A)=0 wenn 0 ein Eigenwert ist

[12340567008900010]→λ1=1,λ2=5,λ3=8,λ4=10 A=[1423]det(AλI)=(1−λ)(3−λ)−8=λ2−4λ−5=(λ−1)(λ−4)

λ1=5,λ2=1
λ1⋅λ2=−5
det(A)=3−8=−5✓


λ1+λ2=4
A=[1423]→1+3=4

#timestamp 2024-10-05

Serie 10: Letzte Aufgabe

Normale Matrizen (A⊤A=AA⊤) haben orthogonale Eigenvektoren
Bedeutet:

Av1=λ1v1Av2=λ2v2λ1≠λ2⟹v1⊤v2=0

Beweisidee: Zeigen, das A und A⊤ gleiche EW mit gleichen EV haben.
-> dann gilt:

(Av1)⊤v2=λ1v1⊤v2(Av1)⊤v2=v1⊤A⊤v2=v1λ2v2λ1v1⊤v2=λ2v1⊤v2⟹v1⊤v2=0◻

Wie zeigen, dass A und A⊤ gleiche EW und EV haben?
-> Für EW einfach:

det(A−λI)=det((A−λI)⊤)=det(A⊤−λI)

-> Für gleiche EV:

(A−λI)⏟Bv=0→und(A⊤−λI)⏟B⊤v=0→

Beide LGS müssen gleiche Lösung haben!
B ist normal:

BB⊤=B⊤Bselbst überprüfen

-> Hinweis: für normale Matrizen haben B, B⊤ den gleichen Kern
(Beweis in der Musterlösung)

also haben Bv=0→ und B⊤v=0→ gleiche Lösung -> A und A⊤ haben gleiche EV

Spektralsatz

Symmetrische Matrizen (können immer diag.) haben orthogonale Eigenvektoren und lassen sich durch orthogonale Matrizen diagonalisieren:

A=UDU⊤ U=[u1,u2,…,un],D=[λ10⋱0λn] A=∑i=1nλiuiui⊤

Bsp
Orthogonalität ausnutzen

A=[1441]→relativ einfach: v1=[11]EV mit EW λ1=5

v2=[1−1] -> weil A symmetrisch v1⊥v2

Av2=[−33] -> λ2=−3


Für Diagonalisieren: EV normieren

A=12[111−1][500−3]12[111−1]=5u1u1⊤−3u2u2⊤=52[11][11]−32[1−1][1−1]=[1441] ✓

Definitheit

Eine symmetrische Matrix A∈Rn×n ist positiv definit, wenn gilt:

  1. x⊤Ax≥0, ∀x∈Rn
  2. x⊤Ax=0⟹x=0→
x⊤Ax=∑i=1n∑j=1nxiAijxjauch möglich:y⊤Ax=∑i=1n∑j=1nyiAijxj

Proof
Für symmetrische Matrizen bilden die Eigenvektoren eine orthonormale Basis

A=∑k=1nλkvkvk⊤

-> jede x∈Rn kann als lin.komb. von v1,…,vn gebildet werden

x=∑i=1naiviAx=∑i=1naiAvi→=∑i=1naiλivi→x⊤Ax=(∑j=1naivi→)⊤(∑i=1naiλivi→)=∑j=1n∑i=1najaiλivj→⊤vi→→ EV sind orthogonal=∑i=1nai2λi

-> ∀x:x⊤Ax≥0⟺λi≤0 ∀i


Bsp

[3333]

positiv definit?

nicht invertierbar -> mind. 1x eigenwert u
-> A hat Rang 1 -> also det(A)=1
-> λ1=0

v1=[1−1]→v2⊥v1→v2=[11]

Av2=[66]→λ2=6
-> A positiv semi-definit


Prüfungsaufgabe HS 18

[211112121]

-> symmetrisch -> EW orthogonal

Zeilensumme 4 überall → λ1=4


Musterlösung:

det(A−λI)=det[2−λ1111−λ2121−λ]=(2−λ)(1−λ)2+2+2−(1−λ)−4(2−λ)−(1−λ)=(2−λ)(1−λ)2+6λ−6=(2−λ)(1−Λ)2−6(1−λ)=(1−λ)((2−λ)(1−λ)−6)→λ1=1=(1−λ)(λ2−3λ+2−6)=(1−λ)(λ2−3λ−4)→Trick: λ2+λ3=−(−3)λ2λ3=−4

-> λ2=−1, λ3=4 (indefinit)

EV berechnen:

[2−11111−12121−1]

- Matrix muss Rang 2 haben, weil nur eine freie Variable möglich
- x3 ist frei

II x1=−2x3
II in I: x2=x3
v1=[−211]

λ2=−1 -> v2=[01−1]
λ3=4 -> v3=[111]
evtl: v1,v2→v3 über kreuzprodukt

b) Bestimme eine orthonormale Basis aus den EV
-> Eigenvektoren normieren
b1=16[−211],b2=12[01−1],b3=13[111]

c) berechne

eA=limn→∞∑n=0N1n!An

-> A symm., daher:

A=UDU⊤A2=UDU⊤UDU⊤=UD2U⊤An=UDnU⊤⟹D=[1000−10004],Dn=[1n000(−1)n0004n]eA=limN→∞∑n=0N1n!An=limN→∞∑n=1N1n!UDnU⊤=U(limN→∞∑n=0NDnn!)U⊤=U(limN→∞[∑n=0N1nn!000∑n=0N(−1)nn!000∑n=0N4nn!])U⊤

da: ex=limN→∞∑n=0Nxnn!

=U([e1000e−1000e4])U⊤

#timestamp 2024-12-12

Singulärwertszerlegung (SVD)

A=UΣV⊤

wobei Σ=diag(σ1,σ2,…,σp)∈Rm×n

Bsp

[111111]=16[2−3023120−2][600000]12[111−1]

wobei σ1=6,σ2=0

Berechnung SVD

  1. Singulärwerte sind Wurzeln der EW von A⊤A und AA⊤
    • immer Matrix auswählen, die kleiner ist

Bsp

[111111]

-> A⊤A∈R2×2, AA⊤∈R3×3
-> EW von A⊤A sind einfacher zu berechnen

A⊤A=[3333]

-> da symmetrisch, sind eingenvektoren orthogonal (?)

det(A⊤A−λI)=(3−λ)2−9=λ(λ−6)

λ1=0,λ2=6
σ1=6,σ2=0 -> nach Grösse ordnen!

Σ=[6..0..]

-> hat immer gleiche Dimensionen wie A!

  1. Spalten von U sind EV von AA⊤, Spalten von V sind EV von A⊤A
    • Nützlich:
ui⊤Avi=σiui=Aviσivi=A⊤uiσi A⊤A=[3333]

-> Spalten von V (=EV von A⊤A) sind einfacher zu berechnen, weil V∈R2×2, und U∈R3×3

Vorsicht: λi=σi2

Berechnung V

(A⊤A−λ1I)x=0→
-> Rang 1 -> x1=x2
-> Normierter EV: v1=12[11]

-> da A⊤A symmetrisch: v2⊥v1

v2=12[1−1]

V=12[111−1]

-> muss noch transponiert werden, in unserem Beispiel schon symmetrisch

Berechnung U

u1=Av1σ1=16[111111]12[11]=⋯=16[222]u2=12[1−10]=16[3−30]u3=16[11−2]

-> v3 hier von der Norm her geraten
#todo: üben, orthogonale Vektoren von Hand erkennen

U=16[2312−3120−2]

Ergebnis:

[111111]=16[2−3023120−2][600000]12[111−1] A=∑i=1nσiuivi⊤ A=6v1v1⊤=616[222]12[11]=[111111]

Bsp 2: SVD von A=[123]∈R1×3

U∈R1×1, V∈R3×3

det(AA⊤−λI)=14−λ→σ1=14

Σ=[1400]

U trivial: U=1 ( oder −1)


Berechnung V:

v1=A⊤u1σ1=114[123]v2=15[−210]v3=[12−53]=170[36−5]1,2 um orthogonal zu v2,−53 für v1(v3′=13⋅normiert[36−5])

für v3: erste zwei Einträge, um orthogonal zu v2. Für 3. kreuzprodukt:
1∗1+2∗2+z∗3=0 -> z=−53

V=[114−25370214156703140−570]
nicht vergessen, V zu transponieren
A=UΣV⊤
Wenn A eine quadratische Matrix ist, dann sind die Singulärwerte von A gleich den Beträgen der Eigenwerten von A.

Ausgleichsrechnung mit SVD

||Ax−b||2 A⊤Ax=A⊤b ||Ax−b||22=||UΣV⊤x−UU⊤b||22||Ux||22=||x||22 für U orthogonal=||ΣV⊤x−U⊤b||22

Zerlegung in Untermatrizen!

=||[Σr000][v1⊤v2⊤]x−[U1⊤U2⊤]b||22=||Σrv1⊤x−U1⊤b||22+||U2⊤b||22

-> minimal für ΣrV1⊤x=U1⊤b

x=V1Σr−1U1⊤b

Bsp:

[111111]=16[2−3023120−2][600000]12[111−1]b=[121]

Finde x, sodass ||Ax−b||2 minimal:

Σr=6,v1=12[11],u1⊤=16[222],Σr−1=16x=v1Σr−1U1⊤b=⋯=23[11]
Note

Lösung x=V1Σr−1U1⊤b ist nicht unbedingt einzige Lösung, aber hat minimale euklidische Norm unter allen Lösungen ||x||2 minimal.

Vergleich mit Normalengleichung:

A⊤A=[3333],A⊤b=[44]

Normalengleichung: A⊤Ax=A⊤b

[3333][x1x2]=[44]

3x13x2=4→x1=43−x2

x=[43−tt]=[430]+t[−11]

||x||2=(43−t)2+t2=2t2+83t+169

δδt||x||2=4t−84=!0

für minimale Form
=> t=23

x=23[11]
-> liefert gleiche Lösung

Moore-Penrose Pseudoinverse

A=UΣV⊤→A†=VΣ†U⊤

wobei

Σ†=[1σ10001σ2000⋱]

-> wenn σi=0, dann 1σ1=0 einfach bei 0 lassen

  1. AA†A=A
  2. A†AA†=A†
A†A=I gilt aber nicht!

Falls A−1 existiert: A†=A−1


Bsp

[111111]=16[2−3023120−2][600000]12[111−1]A+=VΣ+U⊤=12[111−1][1600000]16[2223−3011−2]=⋯=16[111111]
x=A†b

-> Lösung hat minimale (euklidische) Norm unter allen Lösungen


Bsp (vorheriges:)

A†=16[111111],b=[121]x=A†b=23[11]✓

Matrixnormen mit SVD:

||A||2=maxx≠0||Ax||||x||=σ1

-> grösster Singulärwert